Інформація призначена тільки для фахівців сфери охорони здоров'я, осіб,
які мають вищу або середню спеціальну медичну освіту.

Підтвердіть, що Ви є фахівцем у сфері охорони здоров'я.



СІМЕЙНІ ЛІКАРІ ТА ТЕРАПЕВТИ
день перший
день другий

НЕВРОЛОГИ, НЕЙРОХІРУРГИ, ЛІКАРІ ЗАГАЛЬНОЇ ПРАКТИКИ, СІМЕЙНІ ЛІКАРІ

КАРДІОЛОГИ, СІМЕЙНІ ЛІКАРІ, РЕВМАТОЛОГИ, НЕВРОЛОГИ, ЕНДОКРИНОЛОГИ

СТОМАТОЛОГИ

ІНФЕКЦІОНІСТИ, СІМЕЙНІ ЛІКАРІ, ПЕДІАТРИ, ГАСТРОЕНТЕРОЛОГИ, ГЕПАТОЛОГИ
день перший
день другий

ТРАВМАТОЛОГИ

ОНКОЛОГИ, (ОНКО-ГЕМАТОЛОГИ, ХІМІОТЕРАПЕВТИ, МАМОЛОГИ, ОНКО-ХІРУРГИ)

ЕНДОКРИНОЛОГИ, СІМЕЙНІ ЛІКАРІ, ПЕДІАТРИ, КАРДІОЛОГИ ТА ІНШІ СПЕЦІАЛІСТИ

ПЕДІАТРИ ТА СІМЕЙНІ ЛІКАРІ

АНЕСТЕЗІОЛОГИ, ХІРУРГИ

"Child`s Health" 2 (61) 2015

Back to issue

Активированные кислородсодержащие метаболиты организма человека при заболеваниях органов дыхания. Генераторы и генерация (Часть 2)

Authors: Абатуров А.Е. — ГУ «Днепропетровская медицинская академия Министерства здравоохранения Украины»; Волосовец А.П. — Национальный медицинский университет им. А.А. Богомольца, г. Киев; Чернышова О.Е. — Донецкий национальный медицинский университет им. М. Горького, г. Красный Лиман

Categories: Pediatrics/Neonatology

Sections: Specialist manual

print version


Summary

В обзоре даны общие представления о механизмах генерации активированных кислородсодержащих метаболитов.

В огляді надані загальні уявлення про механізми генерації активованих кисневмісних метаболітів.

The review presents general ideas about the mechanisms of generation of activated oxygen-containing metabolites.


Keywords

активированные кислородсодержащие метаболиты, легкие.

активовані кисневмісні метаболіти, легені.

activated oxygen-containing metabolites, lungs.

Статья опубликована на с. 202-207

 

Активация NOX

Активация НАДФH-оксидазы

Механизмы рецептор-ассоциированной активации НАДФH-оксидаз (NOX2) наиболее изучены у фагоцитирующих клеток, у которых во время фагоцитоза наблюдается усиленная продукция активированных кислородных метаболитов (АКМ) [3–5, 7, 8]. Основными стимулирующими факторами механизмов активации НАДФH-оксидазы являются цитокины — TGF-β1, TNF-α и IL-1β, пептидные факторы роста (PDGF; EGF, VEGF, bFGF и инсулин), патоген-ассоциированные молекулярные структуры (РАМР) инфекционных агентов, активирующие Toll-подобные рецепторы (TLR), агонисты G-протеин-связанных рецепторов (GPCR — G-protein-coupled receptors) — ангиотензин II, тромбин, эндотелин-1, серотонин, лизофосфатидиновая кислота, 1-фосфат сфингозина, гистамин, брадикинин. РАМР, в частности флагеллин Pseudomonas aeruginosa, могут взаимодействовать и с рецептором P2Y, что ведет к высвобождению АТФ, которая индуцирует активность НАДФН-оксидазы [14, 23]. НАДФH-оксидаза в нефагоцитирующих клетках активируется лигандами GPCR, некоторыми интерлейкинами и клеточными факторами роста [18].

Инициализация процесса сборки НАДФH-оксидазы в фагоцитирующих клетках связана с двумя внутриклеточными сигнальными факторами — с активностью фосфоинозитол-3-киназы (PI3K) и с повышением внутриклеточной концентрации ионов Са2+. Активация PI3K обусловливает фосфорилирование протеина Rac, что способствует его перемещению к внутренней поверхности цитоплазматической мембраны клетки [7, 17]. Повышение внутриклеточной концентрации ионов Са2+ индуцирует кальцийзависимую протеинкиназу Сб (РКСб), которая обусловливает фосфорилирование цитоплазматической фосфолипазы А2 (PLA2). Цитоплазматическая PLA2 из фосфатидилхолина высвобождает свободную арахидоновую кислоту, дальнейшая метаболизация которой представлена липооксигеназным и циклооксигеназным вариантами. Под влиянием 5-липоксигеназы из арахидоновой кислоты образуется гидропероксиэйкозатетраеновая кислота (HPETE), которая преобразуется в лейкотриены, эпоксилины, липоксины и гидроксиэйкозатетраеновую кислоту (HETE). При участии циклооксигеназ (COX1, COX2) арахидоновая кислота метаболизируется до эндопероксида PGG2, из которого в дальнейшем образуются гидроксигептадекатриеновая кислота (ННТ), простагландины (ПГЕ2, ПГF2, ПГI2, ПГD2), тромбоксан А2. Цитоплазматическая PLA2, свободная арахидоновая кислота и ее дериваты инициализируют ключевой процесс каскада активации НАДФH-оксидазы — фосфорилирование цитоплазматических p47phox и p67phox [26]. В процесс фосфорилирования субъединиц p47phox и p67phox НАДФH-оксидазы также вовлечены несколько других киназ — p38-активированная протеинкиназа, p21-активированная киназа (PAK), казеиновая киназа-2, протеинкиназа-B. Однако среди этого множества киназ доминирующую роль в процессе активации субъединиц НАДФH-оксидазы играет РКС. Вызванные фосфорилированием конформационные изменения молекулы p47phox обусловливают перемещение цитоплазматически расположенного комплекса p47phox/p67phox к внутренней поверхности мембраны клетки [12, 15] с одновременной транслокацией p40phox и Rac [7].

Активация НАДФH-оксидазы в фагоцитирующих клетках происходит при взаимодействии комплекса p47phox/p67phox/p40phox и Rac с мембрано-ассоциированным цитохромом Cytb558. Предполагают, что фосфорилирование аминокислотных остатков Ser303, Ser304 и Ser328 протеина p47phox обусловливает взаимодействие комплекса p47phox/p67phox/p40phox с богатыми пролиновыми аминокислотными остатками областями эндоплазматического хвоста субъединицы p22phox мембранного Cytb558, что обусловливает формирование активного ферментного комплекса (рис. 1) [19].

Регуляция ферментативной активности НАДФH-оксидазы достигается двумя механизмами: пространственным разъединением субъединиц фермента и модуляциями протеин-протеиновых и протеин-липидных взаимодействий [7, 15].

Активация других протеинов семейства NOX

Ферменты NOX нефагоцитирующих клеток активируются лигандами GPCR, некоторыми интерлейкинами и клеточными факторами роста [18]. Процесс активации протеинов семейства NOX нефагоцитирующих клеток отличается от активации НАДФН-оксидазы некоторыми особенностями (рис. 2).

По всей вероятности, генерируемый разными NOX O2выполняет различные функции. АКМ, генерируемые протеинами семейства NOX, оказывают действие как внутри клетки, так и во внеклеточном пространстве. Протеины NOX2 и DUOX1/2 генерируют АКМ во внеклеточное пространство, где они оказывают преимущественно бактерицидное действие. Другие представители семейства NOX генерируют АКМ преимущественно внутрь клетки, таким образом регулируя различные функции клетки (рис. 3) [9]. Так, внутриклеточно генерируемые АКМ ингибируют активность фосфатаз, активируют деятельность киназ (р38 MAPK), регулируют функцию ионных каналов, кальций-зависимое возбуждение, экспрессию генов некоторых протеинов (TNF-α, TGF-β1, ангиотензина II, моноцитарного хемоаттрактантного протеина-1, ингибитора активатора плазминогена-1) [6].

Функциональная активность протеинов NOX предопределяет развитие разных патологических процессов (рис. 4).

Генерация АКМ

Активная, полностью собранная НАДФH-оксидаза осуществляет перенос одного электрона на молекулярный кислород. Электроны передаются от первичного электронного донора НАДФH (со средним потенциалом 320 мВ, в частности для NOX2) вдоль электрохимического градиента — ФАД → 2 гема → O2 (средний потенциал 160 мВ). Электрохимический градиент от НАДФH к O2, составляющий 160 мВ, постоянно обеспечивает движение электронного потока с внутренней стороны на внешнюю сторону мембраны [11]. НАДФH-оксидаза генерирует короткоживущий (с периодом полураспада в несколько 10–6 секунд) O2, который без участия ферментов или под влиянием супероксиддисмутаз (SOD) дисмутирует до перекиси водорода (H2O2) с последующей организацией как гидроксильного радикала (OH), так и, в результате действия каталазы, кислорода (O2) и воды (H2O) (рис. 5) [10, 25].

Основной активной формой кислорода является O2, который образуется при переносе одного электрона к молекуле кислорода. Супероксидный анион-радикал может действовать как окислитель и как восстановитель. Супероксидный анион-радикал характеризуется низкой реактивностью по отношению к биоорганическим субстратам. Ключевыми субстратами O2 являются протеины, содержащие железо-серные кластеры. Он активно взаимодействует с цитохромом C, супероксиддисмутазами, аскорбиновой кислотой. И не реагирует с полиненасыщенными жирными кислотами. Однако O2 участвует в реакциях, в результате которых образуются значительно более активные радикальные дериваты кислорода: гидропероксидный и гидроксильный радикал [20].

Двухэлектронный перенос обусловливает образование умеренной по окислительной активности H2O2, трехэлектронный перенос — образование сильного окислителя гидроксильного радикала, который участвует в процессе окисления различных структур клетки [10, 25]. Критически важными являются количественные аспекты окислительно-восстановительных систем. Так, скорость потребления О2 в организме человека составляет около 0,4 л/мин, но может быть увеличена практически в 10 раз — до максимального значения 4 л/мин. От одного до четырех процентов от объема O2 в митохондриях превращается в H2O2, то есть скорость образования H2O2 составляет от 5000 до 20 000 мкмоль/кг–1/мин–1. Фактическая скорость генерации H2O2 значительно больше, так как в ее образовании участвуют и другие генераторы — оксидазы. Было показано, что до 10 % O2 может быть преобразовано в H2O2 [16]. Перекись водорода при взаимодействии с ионами железа или меди разлагается с образованием крайне реакционно-способного гидроксильного радикала по реакции Фентона: H2O2 + Fe2+ → HO + OH + Fe3+. Этим объясняется опосредованное цитотоксическое действие H2O2. Долгое время считалось, что вторым путем образования гидроксильного радикала может быть реакция Хабера — Вайса: H2O2 + O2–• → HO• + O2 + OH. Однако в физиологических условиях реакция Хабера — Вайса представляет собой сумму реакций Фентона и восстановления ионов Fe3+ супероксид-анион-радикалом. Генерация гидроксильного радикала возможна и при восстановлении Н2О2 переносчиком электрон-транспортной цепи митохондрий ферредоксином. Гидроксильный радикал ОН является самым мощным окислителем из всех форм АКМ. Он может окислять практически все низкомолекулярные органические молекулы, белки и нуклеиновые кислоты. Гидроксильный радикал способен отрывать атом водорода от молекул ненасыщенных жирных кислот и инициировать перекисное окисление липидов. Однако эти реакции строго локализованы, так как гидроксильный радикал — крайне нестабильная молекулярная форма (время жизни 10–9 секунд), и потому он реагирует только по месту своего образования [1, 20, 22].

Активация кислорода возможна также путем передачи ему энергии без переноса электрона, что приводит к образованию синглетного кислорода (1О2) — крайне реакционноспособной молекулы. Электронная конфигурация синглетного кислорода подчеркивает его нерадикальную природу [1, 22].

Активация NOX сопровождается проявлением некоторых вторичных эффектов, которые приводят к перераспределению АКМ: экстрацеллюлярно генерируемый супероксид-анион-радикал и образованная перекись водорода перемещаются во внутренний континуум клетки. Так, возбуждение NOX протеинов приводит к трансмембранному переносу электронов, который сопровождается деполяризацией мембраны клетки и снижением внутриклеточного уровня pH. Данные изменения индуцируют возбуждение некоторых трансмембранных каналов, в частности потенциалзависимых протонных каналов (VSOP) и Na+/H+-обменников (HNE).

Деполяризация мембраны клетки способствует открытию VSOP и перемещению ионов H+ через клеточную мембрану. Обменники HNE регулируют уровень внутриклеточного рН, предупреждая закисление цитоплазмы, и контролируют трансэпителиальный транспорт ионов Na+, H+, Cl. Активация NOX протеинов сопровождается возбуждением аквапоринов (AQP) и хлоридного канала ClC3, которые осуществляют трансмембранный транспорт H2O2 и O2 соответственно из внеклеточного пространства во внутриклеточный континуум (рис. 6) [24].

Заключение

Генерация активных кислородсодержащих метаболитов в легких преимущественно осуществляется специфическими ферментами, представляющими семейство NOX. Ферменты семейства NOX участвуют как в физиологических реакциях, так и в развитии различных патологических процессов в легких, к тому же ткань легкого особо чувствительна к токсическому воздействию АКМ. Поэтому разработка лекарственных средств, которые специфично регулировали бы активность различных представителей семейства NOX, может открыть новые возможности в предупреждении и лечении острых и хронических заболеваний органов дыхания.

 


Bibliography

1. Половинкина Е.О., Синицына Ю.В. Окислительный стресс и особенности воздействия слабых стрессоров физической природы на перекисный гомеостаз растительной клетки: Учебно-методическое пособие. — Нижний Новгород, 2010. — 62 с.

2. Altenhöfer S. The NOX toolbox: validating the role of NADPH oxidases in physiology and disease / S. Altenhöfer, P.W. Kleikers, K.A. Radermacher, P. Scheurer, J.J. Rob Hermans, P. Schiffers, H. Ho, K. Wingler, H.H. Schmidt // Cell. Mol. Life Sci. — 2012 Jul. — 69(14). — 2327-43. doi: 10.1007/s00018-012-1010-9.

3. Babior B.M. The neutrophil NADPH oxidase / B.M. Babior, J.D. Lambeth, W. Nauseef // Arch. Biochem. Biophys. — 2002 Jan 15. — 397(2). — 342-4. doi: 10.1006/abbi.2001.2642.

4. Babior B.M. Phagocytes and oxidative stress // Am. J. Med. — 2000 Jul. — 109(1). — 33-44. doi: http: // dx.doi.org/10.1016/S0002-9343(00)00481-2.

5. Babior B.M. NADPH oxidase // Curr. Opin. Immunol. — 2004 Feb. — 16(1). — 42-7. doi: 10.1016/j.coi.2003.12.001.

6. Bedard K. NOX family NADPH oxidases: not just in mammals / K. Bedard, B. Lardy, K.H. Krause // Biochimie. — 2007 Sep. — 89(9). — 1107-12. doi: 10.1016/j.biochi.2007.01.012.

7. Bokoch G.M. Current molecular models for NADPH oxidase regulation by Rac GTPase / G.M. Bokoch, B.A. Diebold // Blood. — 2002 Oct 15. — 100(8). — 2692-6. doi: http: // dx.doi.org/10.1182/blood-2002-04-1149.

8. Bokoch G.M. NADPH oxidases: not just for leukocytes anymore! / G.M. Bokoch, U.G. Knaus // Trends Biochem. Sci. — 2003 Sep. — 28(9). — 502-8. doi: http: // dx.doi.org/10.1016/S0968-0004(03)00194-4.

9. Brown D.I. Nox proteins in signal transduction / D.I. Brown, K.K. Griendling // Free Radic. Biol. Med. — 2009 Nov 1. — 47(9). — 1239-53. doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2009.07.023.

10. Comhair S.A. Antioxidant responses to oxidant-mediated lung diseases / S.A. Comhair, S.C. Erzurum // Am. J. Physiol. Lung Cell. Mol. Physiol. — 2002 Aug. — 283(2). — L246-55. doi: 10.1152/ –ajplung.00491.2001.

11. DeCoursey T.E. Interactions between NADPH oxidase and voltage-gated proton channels: why electron transport depends on proton transport // FEBS Lett. — 2003 Nov 27. — 555(1). — 57-61. PMID. — 14630319.

12. Groemping Y. Activation and assembly of the NADPH oxidase: a structural perspective / Y. Groemping, K. Rittinger // Biochem. J. — 2005 Mar 15. — 386(Pt 3). — 401-16. doi: 10.1042/BJ20041835.

13. Guichard C. Les Nox/Duox: une nouvelle famille de NADPH oxydases / C. Guichard, E. Pedruzzi, M. Fay, S. Ben Mkaddem, N. Coant, F. Daniel, E. Ogier-Denis // Med. Sci (Paris). — 2006 Nov. — 22(11). — 953-9. doi: http: // dx.doi.org/10.1051/medsci/20062211953.

14. Imai H. Biological significance of phospholipid hydroperoxide glutathione peroxidase (PHGPx, GPx4) in mammalian cells / H. Imai, Y. Nakagawa // Free Radic. Biol. Med. — 2003 Jan 15. — 34(2). — 145-69. doi: 10.1016/S0891-5849(02)01197-8.

15. Jiang J. TGF-2 reduces nitric oxide synthase mRNA through a ROCK-dependent pathway in airway epithelial cells / J. Jiang, S.C. George // Am. J. Physiol. Lung Cell. Mol. Physiol. — 2011 Sep. — 301(3). — L361-7. doi: 10.1152/ajplung.00464.2010.

16. Jones D.P. Radical-free biology of oxidative stress // Am. J. Physiol. Cell. Physiol. — 2008 Oct. — 295(4). — C849-68. doi: 10.1152/ajpcell.00283.2008.

17. Kobayashi-Miura M. Oxygen sensing and redox signaling: the role of thioredoxin in embryonic development and cardiac diseases / M. Kobayashi-Miura, K. Shioji, Y. Hoshino, H. Masutani, H. Nakamura, J. Yodoi // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. — 2007 May. — 292(5). — H2040-50. doi: 10.1152/ajpheart.01316.2006.

18. Lambeth J.D. Nox/Duox family of nicotinamide adenine dinucleotide (phosphate) oxidases // Curr. Opin. Hematol. — 2002 Jan. — 9(1). — 11-7. PMID. — 11753072.

19. Leto T.L. Targeting and regulation of reactive oxygen species generation by Nox family NADPH oxidases / T.L. Leto, S. Morand, D. Hurt, T. Ueyama // Antioxid. Redox. Signal. — 2009 Oct. — 11(10). — 2607-19. doi: 10.1089/ARS.2009.2637.

20. Migdal C. Espéces réactives de l’oxygéne et stress oxidant / C. Migdal, M. Serres // Med. Sci (Paris). — 2011 Apr. — 27(4). — 405-12. doi: 10.1051/medsci/2011274017.

21. Mori I.C. Reactive Oxygen Species Activation of Plant Ca2+ Channels. A Signaling Mechanism in Polar Growth, Hormone Transduction, Stress Signaling, and Hypothetically Mechanotransduction / I.C. Mori, J.I. Schroeder // Plant. Physiol. — 2004 Jun. — 135(2). — 702-8. doi: 10.1104/pp.104.042069.

22. Nishinaka Y. Singlet oxygen is essential for neutrophil extracellular trap formation / Y. Nishinaka, T. Arai, S. Adachi, A. Takaori-Kondo, K. Yamashita // Biochem. Biophys. Res. Commun. — 2011 Sep 16. — 413(1). — 75-9. doi: 10.1016/j.bbrc.2011.08.052.

23. Rhee S.G. Cellular Regulation by Hydrogen Peroxide / S.G. Rhee, T.-S. Chang, Y.S. Bae, S.-R. Lee, S.W. Kang // J. Am. Soc. Nephrol. — 2003 Aug. — 14(8 Suppl 3). — S211-5. doi: 10.1097/01.ASN.0000077404.45564.7E.

24. Van der Vliet A. NADPH oxidases in lung biology and pathology: host defense enzymes, and more // Free Radic. Biol. Med. — 2008 Mar 15. — 44(6). — 938-55. doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2007.11.016.

25. Vignais P.V. The superoxide-generating NADPH oxidase: structural aspects and activation mechanism // Cell. Mol. Life Sci. — 2002 Sep. — 59(9). — 1428-59. PMID. — 12440767.

26. Zmijewski J.W. Cell signalling by oxidized lipids and the role of reactive oxygen species in the endothelium / J.W. Zmijewski, A. Landar, N. Watanabe, D.A. Dickinson, N. Noguchi, V.M. Darley-Usmar // Biochem. Soc. Trans. — 2005 Dec. — 33(Pt 6). — 1385-9. doi: 10.1042/BST20051385.


Back to issue